Fenton法對沼液中三種四環素類和三種磺胺類抗生素氧化去除的研究

遲 翔，周文兵*，武 林，吳 飛，肖乃東，朱端衛

（1.華中農業大學資源與環境學院生態與環境工程研究室，武漢430070；2.生豬健康養殖（湖北省）協同創新中心，武漢430070）

近年來，我國年產各類抗生素21萬t，居世界首位，其中46.1%用于畜禽養殖。進入畜禽體內的抗生素約有60%～90%以母體和代謝物的形式排出體外，且部分代謝物在環境中又可轉化為活性母體，被認為是生態安全風險極高的新型污染物，成為近年來公眾關注的焦點和國內外科學研究的熱點[1]。同時，畜禽排出的代謝物應用于沼氣工程的厭氧發酵中，沼渣沼液作為“優質高效的無公害有機肥料”也已應用于多種作物的生產中，但沼渣沼液的處理還存在著許多問題，如沼液被直接灌溉，其中的抗生素可在植物體內富集，同時由于食物鏈傳遞，也會對生物及人體產生危害。抗生素對人體的傷害表現為毒性損傷、過敏反應以及“三致”作用等[2-4]。據報道，沼液中抗生素含量較高的有四環素類和磺胺類抗生素，其含量可達幾十到幾百微克每升[5-7]。目前，處理工業廢水中抗生素的主要方法有：生物法、膜分離法、吸附法。其中生物法很難有效地去除微量物質，膜分離法在沼液這類有較大雜質的非均相體系中應用時極易被堵塞，吸附法又很難找到較為廉價且對水質選擇性小的吸附劑[8-9]。為了滿足工藝上的切實要求，尋找能快速、高效地去除沼液中抗生素，同時又保證沼液中的養分（TN、TP、TK）能夠基本保留的方法已迫在眉睫。

Fenton法作為高級氧化技術的代表，有著較強的氧化能力。近年來，因其對水質的選擇性小，且反應速率高，被廣泛應用于工業廢水中苯酚、硝基酚等有機物的去除[10-11]，但用其直接處理沼液中的抗生素還鮮有報道[12]。本文將通過Fenton去除沼液中三種四環素類和三種磺胺類抗生素的單因素實驗，確定最優的去除條件，并通過最優Fenton作用條件下各抗生素的去除率和主要養分氮、磷、鉀的保留率來評判Fen?ton法去除沼液中抗生素的可行性。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

裝置包括SC-3610低速離心機（安徽中科中佳科學儀器有限公司）、SHB-Ⅲ循環水式多用真空泵（武漢亨泰達儀器設備有限公司）、FE28 pH計（梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司）、Cleanert PEP-2固相萃取柱（Bonna-Agela Technologies）、HX-NC12金屬浴氮吹儀（武漢恒信世紀科技有限公司）、Agilent1260高效液相色譜儀（美國，安捷倫公司）、高效液相色譜柱Shim-Pack，VP-ODS（250 mm×4.6 mm，5 μm，日本，島津公司）。

試劑包括：甲醇、乙腈、甲酸均為色譜純；30%（質量分數）H2O2、H2SO4、HCl、NaOH均為分析純；四環素（TC）純度≥95%、土霉素（OTC）純度≥98%、金霉素（CTC）純度≥90%、磺胺甲惡唑（SMZ）純度≥98%、磺胺甲基嘧啶（SMR）純度≥98%、磺胺嘧啶（SDZ）純度≥98%的標準樣品（均購于上海源葉生物科技有限公司）。沼液采自湖北金林原種畜牧有限公司，帶回實驗室后避光保存其理化性質見表1。為突出實驗效果，向沼液中添加了一定含量的抗生素作為實驗樣品。

表1 沼液主要理化性質Table1 The main physicochemical properties of biogas slurry

1.2 實驗方法

1.2.1 沼液前處理方法

取40 mL沼液于錐形瓶中，向其中添加一定含量的抗生素，用稀H2SO4、NaOH溶液調節pH后，加入FeSO4溶液5 mL和30%（質量分數）H2O2溶液5 mL，2 h后取出5 mL用來檢測TN、TP、TK。再對樣品進行5000 r·min-1離心，然后通過0.45 μm的水系濾膜，加入0.2 g乙二胺四乙酸二鈉以抑制重金屬的螯合，用H2SO4調節樣品pH在4左右，濾液以1 mL·min-1的速率通過Cleanert PEP固相萃取柱進行富集，固相萃取柱使用前依次用3×2 mL甲醇、3×2 mL超純水、3×2 mL HCl（pH=4）進行預處理，萃取富集后，用6 mL超純水清洗固相萃取柱，并真空干燥30 min，最后用3×2 mL甲醇緩慢洗脫到10 mL離心管中，將收集的洗脫液用氮氣吹干，再用2 mL甲醇復溶。以上溶液均過0.22 μm水系濾膜后放入2 mL的棕色玻璃瓶待測。

1.2.2 各因素對抗生素去除特性影響實驗

基準條件：pH為4.0、H2O2濃度為0.4 mol·L-1、摩爾比 n（H2O2）/n（Fe2+）=5∶1。

在探究pH最優條件時，保證H2O2濃度和n（H2O2）/n（Fe2+）為基準條件，pH分別設置為2、3、4、5、6，從而確定最優pH值；在探究H2O2濃度最優條件時，保證pH和n（H2O2）/n（Fe2+）為基準條件，H2O2濃度分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mol·L-1，從而確定最優 H2O2濃度；在探究 n（H2O2）/n（Fe2+）最優條件時，保證pH和H2O2為基準條件，設置 n（H2O2）/n（Fe2+）分別為 3∶1、5∶1、10∶1、15∶1、20∶1，從而確定最優n（H2O2）/n（Fe2+）。

1.3 測試分析方法

抗生素采用高效液相色譜-紫外檢測器檢測，測定條件：色譜柱柱溫25℃，流動相為0.1%甲酸-乙腈（81∶19，V/V）等度洗脫，流速1.0 mL·min-1；進樣量20 μL；紫外檢測器檢測波長270 nm[5]。TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB/T 1894—1989），TP采用鉬酸銨分光光度法（GB/T 11893—1989），TK采用H2O2-HNO3消解火焰分光光度法。

表2 六種目標物質對應線性方程及出峰時間Table2 The linear equations and peak time of the six target substances

2 結果與討論

2.1 抗生素標準溶液的測定

配制六種抗生素的混標溶液，根據抗生素的測定方法，對六種抗生素進行了檢測。由表2可知，六種標準物質相關系數良好。由圖1可知，六種物質色譜峰完全分離。

圖1 三種四環素和三種磺胺類抗生素的5 mg·L-1標準物質色譜圖Figure1 Standard substance chromatogram of three kinds of tetracycline and three kinds of sulfa antibiotics with concentration of 5 mg·L-1

圖2 不同pH下沼液經Fenton氧化后磺胺類抗生素濃度及去除率Figure2 The concentration and removal rates of sulfa antibiotics in biogas slurry after Fenton oxidation with different pH

圖3 不同pH下沼液經Fenton氧化后四環素類抗生素濃度及去除率Figure3 The concentration and removal rates of tetracycline antibiotics in biogas slurry after Fenton oxidation with different pH

2.2 抗生素去除條件篩選

2.2.1 初始pH對去除效果的影響

圖2和圖3分別為在H2O2濃度為0.4 mol·L-1，n（H2O2）/n（Fe2+）=5∶1，pH為2、3、4、5、6條件下沼液水樣中磺胺類抗生素和四環素類抗生素去除前后的濃度及去除率。由圖可知，沼液樣品中初始pH對抗生素去除率影響較大，pH為4時，抗生素去除率最大。pH降低過程中，目標物質的去除率呈先上升后下降的趨勢。因為鐵鹽在弱酸性條件下最大限度水解，最有利于催化羥基自由基的產生，方程式為：

弱酸環境可以促進反應向右進行，增加羥基自由基的產量。過低的pH值環境會抑制羥基自由基的產生，過高的pH值也會抑制羥基自由基的產生，并且使三價鐵離子沉淀，而失去催化氧化能力，如下式：

2.2.2 H2O2投加量對抗生素去除率的影響

圖4和圖5分別為在pH為4.0，n（H2O2）/n（Fe2+）=5∶1，H2O2投加量分別為 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mol·L-1條件下沼液水樣中磺胺類抗生素和四環素類抗生素去除前后的濃度及去除率。從圖中可以看出，H2O2濃度為0.4 mol·L-1時，抗生素去除率最大。

由圖4和圖5可知，隨著H2O2濃度不斷升高，各類抗生素去除率均呈現先升高后平緩的趨勢，并在0.5 mol·L-1時出現了下降，這是因為 Fe2+催化 H2O2產生·OH，隨著H2O2濃度的增加，·OH也增加，即：

而當H2O2過量時，H2O2會在反應初期與·OH反應生成氧化能力較弱的·HO2，·HO2進一步與·OH反應釋放氧氣，即：

這一過程不利于反應持續進行，從而降低了對抗生素的去除。

2.2.3 n（H2O2）/n（Fe2+）對抗生素去除率的影響

圖4 不同H2O2投加量下沼液經Fenton氧化后磺胺類抗生素濃度及去除率Figure4 The concentration and removal rates of sulfa antibiotics in biogas slurry after Fenton oxidation with different H2O2input

圖5 不同H2O2投加量下沼液經Fenton氧化后四環素類抗生素濃度及去除率Figure5 The concentration and removal rates of tetracycline antibiotics in biogas slurry after Fenton oxidation with different H2O2input

圖6 不同n（H2O2）/n（Fe2+）下沼液經Fenton氧化后磺胺類抗生素濃度及去除率Figure6 The concentration and removal of sulfa antibiotics in biogas slurry after Fenton oxidation with different n（H2O2）/n（Fe2+）

圖7 不同n（H2O2）/n（Fe2+）下沼液經Fenton氧化后四環素類抗生素的濃度及去除率Figure7 The concentration and removal of tetracycline antibiotics in biogas slurry after Fenton oxidation with different n（H2O2）/n（Fe2+）

圖6 和圖7分別為在pH為4.0，H2O2濃度為0.4 mol·L-1，n（H2O2）/n（Fe2+）為 3∶1、5∶1、10∶1、15∶1、20∶1的條件下實驗樣品中磺胺類抗生素和四環素類抗生素去除前后的濃度及去除率。從圖中可以看出，n（H2O2）/n（Fe2+）為10∶1時，抗生素去除率最大。

由圖6和圖 7可知，當 n（H2O2）/n（Fe2+）過小時，Fe2+剩余過多，缺少反應所需的H2O2。多余的Fe2+會與H2O2或·OH發生氧化還原反應，消耗體系內產生的·OH，同時，因大量Fe2+的催化，生成的·OH還未氧化抗生素就先自身發生了反應：

而當 n（H2O2）/n（Fe2+）過大時，Fe2+過少，抑制了H2O2生成·OH的速率，使得氧化能力變弱，導致抗生素去除率降低。

2.3 TN、TP、TK保留率

在探究養分保留率時通常TP、TK原則上不會流失，而TN可能會以氮氣的形式流失。本研究在pH為4.0，H2O2濃度為 0.4 mol·L-1，n（H2O2）/n（Fe2+）=10∶1最優條件下，對沼液中抗生素去除前后沼液中TN、TP、TK進行測定。由圖8可知，TN、TP、TK的保留率分別為96.0%、97.7%、97.2%，說明Fenton在氧化沼液抗生素前后，養分基本沒有流失。

圖8 Fenton氧化沼液中抗生素后TN、TP、TK保留率Figure8 The retention rate of TN，TP and TK in biogas slurry after antibiotics oxidation by Fenton

3 結論

（1）Fenton氧化沼液中三種四環素類和三種磺胺類抗生素的最佳反應條件：pH為4.0、H2O2投加量為0.4 mol·L-1、n（H2O2）/n（Fe2+）=10∶1，此條件下四環素、土霉素、金霉素、磺胺甲惡唑、磺胺甲基嘧啶、磺胺嘧啶的去除率分別為91.83%、92.38%、80.52%、93.60%、91.97%、91.60%。

（2）Fenton試劑的添加基本不會影響沼液中養分的含量，沼液中的養分TN、TP、TK保留率分別為96.0%、97.7%、97.2%。

（3）Fenton氧化技術去除沼液中的抗生素是一種行之有效的方法，這為農業上沼液中抗生素的處理提供了一條可能的途徑。